Trong thế kỷ 21 hiện nay, việc phát triển công nghệ ô tô ngày càng đặt ra những thách thức lớn đối với các kỹ sư và nhà nghiên cứu. Trong đó, bộ điều khiển động cơ (ECU) đóng vai trò quan trọng, đó là bộ não điều khiển của hệ thống ô tô, giữ vai trò quyết định trong việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ và giảm tiêu thụ nhiên liệu.
Hệ thống điều khiển động cơ theo chương trình bao gồm các cảm biến kiểm soát liên tục trạng thái hoạt động của động cơ, ECU động cơ tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu và đưa ra tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành. Cơ cấu chấp hành luôn bảo đảm thừa lệnh điều khiển từ ECU và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến. Hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ đảm bảo sự chính xác và thích ứng cần thiết để giảm tối đa chất độc hại trong khí thải cũng như lượng tiêu hao nhiên liệu. ECU động cơ cũng điều khiển nhằm đảm bảo công suất tối ưu ở các chế độ hoạt động của động cơ, cũng như giúp chẩn đoán động cơ một cách hệ thống khi có sự cố xảy ra.
Điều khiển động cơ bao gồm hệ thống điều khiển xăng, đánh lửa, góc phối khí, ga tự động (cruise control). Ngoài ra, trên các động cơ diesel ngày nay thường sử dụng hệ thống nhiên liệu điều khiển bằng điện tử (EDC – electronic diesel control hoặc unit pump in line ).
Bộ điều khiển, máy tính, ECU hay hộp đen là những tên gọi khác nhau của mạch điều khiển điện tử trên ô tô. Nhìn chung, đó là bộ tổ hợp vi mạch và bộ phận phụ dùng để thu nhận tín hiệu, lưu trữ thông tin, tính toán, quyết định chức năng hoạt động và gửi đi các tín hiệu điều khiển thích hợp. ECU được đặt trong một vỏ kim loại để tạo điều kiện tản nhiệt tốt nhất và được bố trí ở vị trí ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm.
Các linh kiện điện tử của ECU được sắp xếp trong một mạch in. Các linh kiện công suất của tầng cuối có chức năng điều khiển các cơ cấu chấp hành được gắn với khung kim loại của ECU với mục đích tản nhiệt. Sự tổ hợp các chức năng trong IC (bộ tạo xung, bộ chia xung, bộ dao động đa hài điểu khiển việc chia tần số) giúp ECU làm việc đạt độ tin cậy cao.
Một giắc nối nhiều chân dùng nối ECU với hệ thống điện trên xe, các cơ cấu chấp hành và các cảm biến.
Cấu trúc của ECU về cơ bản cũng tương tự như máy tính bao gồm: Các bộ nhớ, bộ vi xử lý và các đường truyền.
1. Cấu tạo:
– Bộ nhớ: bộ nhớ trong ECU chia ra làm 4 loại:
+ ROM (Read Only Memory) dùng lưu trữ thông tin thường trực. Bộ nhớ này chỉ cho phép đọc thông tin không thể ghi thêm thông tin. Thông tin của bộ nhớ này đã được cài đặt sẵn, Bộ nhớ ROM cung cấp thông tin cho bộ vi xử lý và được lắp cố định trên mạch in.
+ RAM )Random Access Memory) bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên dùng để lưu trữ thông tin mới và xác định bởi vi xử lý. RAM có thể đọc và ghi các số liệu theo địa chỉ bất kỳ.
Ram có hai loại:
Loại RAM xóa được: Thông tin trong bộ nhớ sẽ mất khi mất dòng điện cung cấp
Loại RAM không xóa được: Thông tin trong bộ nhớ không mất cho dù tháo nguồn. Trên ô tô RAM dùng để lưu trữ những thông tin về hoạt động của các cảm biến dùng cho hệ thống tự chuẩn đoán.
+ PROM (Programmable Read Only Memory) cấu trúc cơ bản giống như ROM nhưng cho phép lập trình (nạp dữ liệu) tại nơi sử dụng chứ không phải tại nhà máy sản xuất như ROM. PROM cho phép sửa đổi chương trình điều khiển theo những đòi hỏi khác nhau
+ KAM (Keep Alive Memory) dùng để lưu trữ những thông tin mới (những thông tin tạm thời) cung cấp đến bộ vi xử lý. Thông tin trong bộ nhớ KAM không mất đi khi động cơ ngưng hoạt động hoặc tắt khóa điện. Tuy nhiên nếu tháo nguồn cấp từ ắc qui thì thông tin trong bộ nhớ KAM sẽ bị mất.
– Bộ vi xử lí (Microprocessor): bộ vi xử lí có chức năng tính toán và ra quyết định. Nó là “bộ não” của ECU.
Sơ đồ khối của các hệ thống trong máy tính với microprocessor
– Đường truyền – BUS: truyền các lệnh và số liệu trong ECU theo 2 chiều.
ECU với những thành phần nêu trên có thể tồn tại dưới dạng một IC hoặc trên nhiều IC. Ngoài ra người ta thường phân loại ECU theo số bít của vi điều khiển.
Ở những thế hệ đầu tiên, ECU điều khiển động cơ dùng loại 4, 8 hoặc 16 bit phổ biến nhất là loại 4 và 8 bit. ECU4 bit chứa rất nhiều lệnh vì nó thực hiện các lệnh logic tốt hơn. Tuy nhiên, ECU8 bit làm việc tốt hơn với các phép đại số và chính xác hơn 16 lần so với loại 4 bit. Vì vậy, hiện nay để điều khiển các hệ thống khác nhau trên ô tô với tốc độ thực hiện nhanh và chính xác cao, thường sử dụng ECU8 bit, 16 bit hoặc 32 bit.
2. Cấu trúc ECU:
Ngày nay trên ô tô hiện đại có thể trang bị nhiều ECU điều khiển các hệ thống khác nhau. Cấu trúc của ECU được trình bày trên.
Cấu trúc ECU
Bộ phận chủ yếu của nó là bộ vi điều khiển (Microcontroller) hay còn gọi là CPU (CentralProcessing Unit), CPU lựa chọn các lệnh và xử lý số liệu từ bộ nhớ ROM và RAM chứa các chương trình, dữ liệu và ngõ vào ra (I/O) điều khiển nhanh số liệu từ các cảm biến và chuyển dữ liệu đã xử lý đến các cơ cấu thực hiện.
Sơ đồ cấu trúc của CPU. Nó bao gồm cơ cấu đại số logic để tính toán dữ liệu, các bộ ghi nhận lưu trữ tạm thời dữ liệu và bộ điều khiển các chức năng khác nhau. Ở các CPU thế hệ mới, người ta thường chế tạo CPU, ROM, RAM trong một IC.
Cấu trúc CPU
Bộ điều khiển ECU hoạt động trên cơ sở tín hiệu số nhị phân với điện áp cao tương ứng giá trị logic là 1, điện áp thấp tương ứng giá trị logic là 0.
Mỗi một số hạng 0 hoặc 1 gọi là bit. Mỗi dãy 8 bit sẽ tương đương 1 byte hoặc 1 từ (word). Byte này được dùng để biểu hiện cho một lệnh hoặc 1 mẫu thông tin.
3. Mạch giao tiếp ngõ vào
– Bộ chuyển đổi A/D (Analog to Digital Converter):
Dùng để chuyển các tín hiệu tương tự từ đầu vào với sự thay đổi điện áp trên các cảm biến nhiệt độ, bộ đo lưu lượng không khí, cảm biến bướm ga, … thành các tín hiệu số để bộ vi xử lý hiểu được. (Hình 1.72).
– Bộ đếm (Counter):
Dùng để đếm xung, ví dụn như từ cảm biến vị trí piston rồi gửi số lượng xung đếm được về bộ vi xử lý
– Bộ nhớ trung gian (Buffer):
Chuyển tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu sóng vuông dạng số, nó không giữ lượng đếm như trong bộ đếm. Bộ phận chính là một Transistor sẽ đóng mở theo cực tính của tín hiệu xoay chiều.
– Bộ khuếch đại (Amplifier): Một số cảm biến có tín hiệu rất yếu nên trong ECU thường có các bộ khuếch đại. Bộ khuếch đại có chức năng khếch đại các tín hiệu yếu và gửi về CPU.
– Bộ ổn áp (Voltage regulator):
Thông thường trong ECU có hai bộ ổn áp: 12V và 5V. Bộ này có tác dụng duy trì điện áp ổn định theo yêu cầu
– Giao tiếp ngõ ra: tín hiệu điều khiển từ bộ vi xử lý sẽ đưa đến các transistor công suất điều khiển rơ le, solenoid, motor…Các transistor này có thể được bố trí bên trong hoặc bên ngoài ECU.
